第二部分密码学与信息安全

1、第二部分第二部分 密码学与信息安全密码学与信息安全2013.9陈志伟陈志伟第二部分 密码学与信息安全计算机密码学是研究计算机计算机密码学是研究计算机信息加密、解密及其变换信息加密、解密及其变换的科学，是数学的科学，是数学和计算机的交叉学科，也是一门新兴的学科。随着计算机网络和计算和计算机的交叉学科，也是一门新兴的学科。随着计算机网络和计算机通讯技术的发展，计算机密码学得到前所未有的重视并迅速普及和机通讯技术的发展，计算机密码学得到前所未有的重视并迅速普及和发展起来。在国内外，它已成为计算机安全主要的研究方向。发展起来。在国内外，它已成为计算机安全主要的研究方向。密码学主要研究通信保密，用于计算

2、机及其保密通信，它的密码学主要研究通信保密，用于计算机及其保密通信，它的基本思想基本思想就是伪装信息就是伪装信息，使未授权者不能理解它的含义。，使未授权者不能理解它的含义。2中国网上银行系统安全性分析中国的网上银行起步比较早的是深圳招商银行，他们开发中国的网上银行起步比较早的是深圳招商银行，他们开发过第一个面向最终用户的网银系统过第一个面向最终用户的网银系统随着网络的大规模普及，中国各个银行也都逐步开启自己随着网络的大规模普及，中国各个银行也都逐步开启自己的网银系统，有些银行的系统仅局限在账户的网银系统，有些银行的系统仅局限在账户信息查询信息查询方面，方面，有些则包含有些则包含转账付款转账付款

3、等功能，还有的已经等功能，还有的已经涉及涉及贷款、投资贷款、投资理财理财等方面的内容等方面的内容。随着网银的普及，。随着网银的普及，网银的安全性网银的安全性成为成为整个系统中最为至关重要的部分了。整个系统中最为至关重要的部分了。信用卡快捷支付信用卡快捷支付3中国网上银行系统安全性分析根据一般的报道分析，不法分子窃取用户信息根据一般的报道分析，不法分子窃取用户信息主要通过木马主要通过木马程序程序（键盘记录工具）（键盘记录工具）来进行来进行，比如，黑客首先在用户电脑，比如，黑客首先在用户电脑系统注入木马程序后，驻留在中招电脑系统里的监控系统就系统注入木马程序后，驻留在中招电脑系统里的监控系统就可以

4、可以 截取、监控系统及用户上网时打开的网银密码窗口。截取、监控系统及用户上网时打开的网银密码窗口。当用户在网银程序里输入卡号或密码时计算机就会自动将相当用户在网银程序里输入卡号或密码时计算机就会自动将相关信息发送给黑客关信息发送给黑客，他们再据此进行读取以破译，钱便被黑，他们再据此进行读取以破译，钱便被黑走了。走了。4中国网上银行系统安全性分析目前网银系统的主要问题是，目前网银系统的主要问题是，安全性过于依赖用户本身安全性过于依赖用户本身的素质的素质，对于安全观念较差的用户，其密码很容易被盗，对于安全观念较差的用户，其密码很容易被盗取，因此取，因此这种这种“信任用户信任用户”的安全模式设计是不

5、合理的的安全模式设计是不合理的。用户的电脑可能安装木马程序，用户的一举一动都可能用户的电脑可能安装木马程序，用户的一举一动都可能被监听和窃取被监听和窃取。只有只有脱离用户的电脑系统脱离用户的电脑系统，使用，使用独立的身份认证硬件设独立的身份认证硬件设备备，才能构造出安全的网银系统。，才能构造出安全的网银系统。5中国网银安全分析：动态密码锁目前有两种流行的身份认证硬件产品可以实现较为安全的网银系目前有两种流行的身份认证硬件产品可以实现较为安全的网银系统登录。第一种身份认证产品名叫统登录。第一种身份认证产品名叫“动态密码锁动态密码锁”。动态密码（动态密码（Dynamic Password）也称）也

6、称一次性密码一次性密码，它指用户的密它指用户的密码按照时间或使用次数不断动态变化，每个密码只使用一次码按照时间或使用次数不断动态变化，每个密码只使用一次。下图是这种产品的外观，其中数字键用于输入用户下图是这种产品的外观，其中数字键用于输入用户PIN码，显示屏码，显示屏用于显示一次性密码。用于显示一次性密码。每次输入正确的每次输入正确的PIN码，都可以得到一个当码，都可以得到一个当前可用的一次性动态密码前可用的一次性动态密码。6中国网银安全分析：动态密码锁这种产品的密码生成芯片这种产品的密码生成芯片运行专门的密码算法，根据运行专门的密码算法，根据当前时间以及使用当前时间以及使用次数生成当前密码次

7、数生成当前密码并显示在显示屏上。认证服务器采用相同的算法计算并显示在显示屏上。认证服务器采用相同的算法计算当前的有效密码。静态当前的有效密码。静态PIN码的安全要素码的安全要素还还在于在于，这个这个PIN码不是在电脑码不是在电脑上输入的，而是在密码锁上输入的上输入的，而是在密码锁上输入的。而而用户每次使用的密码都不相同，用户每次使用的密码都不相同，即使黑客即使黑客截获截获了一次密码，也了一次密码，也无法利无法利用这个密码来仿冒合法用户的身份，用这个密码来仿冒合法用户的身份，因为下一次登录必须使用另外一个因为下一次登录必须使用另外一个动态密码。动态密码。威胁：威胁：PIN码被人码被人窥窃窥窃遮挡

8、遮挡DynamicPasswordDemo7中国网银安全分析：USB Key现在我们将介绍另外一种广泛应用的现在我们将介绍另外一种广泛应用的身份认证产品：身份认证产品：USB Key。USB Key目前在目前在网上银行应用十分广泛网上银行应用十分广泛，大家看到一些银行的，大家看到一些银行的U盾、盾、优优KEY等都是这种产品。等都是这种产品。USB Key的使用方法是，当登录网银系统的时候，的使用方法是，当登录网银系统的时候，在电脑上插入在电脑上插入USB Key，然后输入，然后输入PIN码，如果验证通过，则可以进行相关交易码，如果验证通过，则可以进行相关交易。这种加密方式这种加密方式使用了使用

9、了双钥加密，私钥双钥加密，私钥(数字证书数字证书)安全地保存在安全地保存在Key中中，在网络应用的环境下，可以更安全，在网络应用的环境下，可以更安全，弥补了动态密码锁单钥加密的一弥补了动态密码锁单钥加密的一些缺陷些缺陷。8中国网银安全分析：USB Key和单钥的动态密码锁不同的是，和单钥的动态密码锁不同的是，USB Key采用双钥（公钥）采用双钥（公钥）加密的认证模式加密的认证模式，USB Key是一种是一种USB接口的硬件设备，接口的硬件设备，外形如下图所示。外形如下图所示。它内置单片机或智能卡芯片，有一定的存储空间，可以它内置单片机或智能卡芯片，有一定的存储空间，可以存存储用户的私钥以及数

10、字证书储用户的私钥以及数字证书，利用利用USB Key内置的公钥算内置的公钥算法实现对用户身份的认证法实现对用户身份的认证。由于用户私钥保存在密码锁中，。由于用户私钥保存在密码锁中，理论上使用任何方式都无法读取，因此保证了用户认证的理论上使用任何方式都无法读取，因此保证了用户认证的安全性安全性。9中国网银安全分析：USB KeyUSB Key的硬件和的硬件和PIN码码构成了可以使用证书的两个必要因构成了可以使用证书的两个必要因素素。如果用户。如果用户PIN码被泄漏，只要码被泄漏，只要USB Key本身不被盗用即本身不被盗用即安全。黑客如果安全。黑客如果想要破解想要破解USB Key，那么需要先

11、偷到用户，那么需要先偷到用户USB Key的物理硬件的物理硬件。USB Key的一个最重要的的一个最重要的优点就是成本低廉优点就是成本低廉。一些单片机芯。一些单片机芯片片USB Key的成本可以低于的成本可以低于10元，很利于大规模普及应用。元，很利于大规模普及应用。11密码学基础Phaistos圆盘圆盘，一种直径约为，一种直径约为160mm的的Cretan-Mnoan粘粘土圆盘，始于公元前土圆盘，始于公元前17世纪。世纪。表面有明显字间空格的字表面有明显字间空格的字母，至今还没有破解母，至今还没有破解。12密码学基础二战中美国陆军和海军使用二战中美国陆军和海军使用的的条形密码设备条形密码设备

12、M-138-T4。根据根据1914年年Parker Hitt的的提议而设计。提议而设计。25个可选取的个可选取的纸条按照预先编排的顺序编纸条按照预先编排的顺序编号和使用，主要用于低级的号和使用，主要用于低级的军事通信军事通信。13密码学基础哈格林（哈格林（Hagelin）密码机）密码机C-36，由，由Aktiebolaget Cryptoeknid Stockholm于于1936年制造年制造密钥周期长度为密钥周期长度为3,900,255。1415密码学基础转轮密码机转轮密码机ENIGMA，由，由Arthur Scherbius于于1919年发明；年发明；4轮轮ENIGMA在在1944年年装备德

13、国海军装备德国海军，使，使得英国从得英国从1942年年2月到月到12月都没能解读德国潜艇的月都没能解读德国潜艇的信号信号。15第三章 信息加密技术 古典古典加密加密凯撒密码、维吉尼亚密码凯撒密码、维吉尼亚密码DESDES加密算法加密算法对称对称RSARSA加密算法加密算法非对称非对称计算机网络的加密技术计算机网络的加密技术几个简单加密软件的使用几个简单加密软件的使用 16本章要点： 加密技术概述密码系统的安全性只在于密钥的保密性密码系统的安全性只在于密钥的保密性，而不在算法的保密性。，而不在算法的保密性。本质上本质上加密就是将消息变得不规则加密就是将消息变得不规则，密码算法就是，密码算法就是适

14、当的打乱适当的打乱明文的顺序变成密文，使密文在阅读的时候变得毫无意义明文的顺序变成密文，使密文在阅读的时候变得毫无意义，当，当然还要有一种方法恢复密文到原始明文。然还要有一种方法恢复密文到原始明文。密钥和密码算法一起用来加密钥和密码算法一起用来加/解密解密，密钥通常是一串无意义的字密钥通常是一串无意义的字符串。符串。 17加密技术概述消息被称为消息被称为明文明文。用某种方法。用某种方法伪装消息以隐藏它的内容伪装消息以隐藏它的内容的过程称的过程称为为加密加密，加密的消息称为，加密的消息称为密文密文，密文转变为明文的过程称为，密文转变为明文的过程称为解密解密。明文用明文用M（消息）（消息）或或Pl

15、aintext（明文）（明文）表示，表示，Ciphertext（密文）（密文）表示。表示。加密函数加密函数Encryption（M）=C；解密函数解密函数Decryption（C）=M；D（E（M）=M举例：举例：+/-、/、异或异或明文明文加密加密解密解密明文明文图图1 加密和解密系统加密和解密系统M ME(M)E(M)C CD(C)D(C)M M加密函数解密函数18密文密文明文明文方案方案&#方案方案明文明文密文密文数学变换数学变换函数函数密钥密钥K文件文件密文密文&#数学变换数学变换函数函数密钥密钥K文件文件密文密文加密密钥加密密钥K解密密钥解密密钥K 图图2 2 使用使用一个密钥一个密

16、钥的加解密的加解密 对称对称 加密：加密：E EK K（M M）= C= C解密：解密：D DK K（C C）= M = M 等价于等价于 D DK K（E EK K（M M）=M=M19密文密文明文明文方案方案&#方案方案明文明文密文密文&#加密密钥加密密钥K1解密密钥解密密钥K2数学变换数学变换函数函数密钥密钥K1文件文件密文密文数学变换数学变换函数函数密钥密钥K2文件文件密文密文 图图3 3 使用使用不同密钥不同密钥的加解密的加解密 非对称非对称 加密：加密：E EK1K1（M M）= C= C解密：解密：D DK2K2（C C）= M = M 等价于等价于 D DK2K2（E EK1K

17、1（M M）=M=M20加密加密( (E E) )：用某种方法伪装消息以隐藏它的内容的过程称为：用某种方法伪装消息以隐藏它的内容的过程称为加密。加密。解密解密( (D D) )：把密文转换成明文把密文转换成明文的过程叫解密。的过程叫解密。密钥密钥( (K K) )：密钥就是参与加密及解密算法的关键数据密钥就是参与加密及解密算法的关键数据。没有。没有它明文不能变成密文它明文不能变成密文, ,密文不能明文。密文不能明文。明文明文( (P/MP/M):):密文密文( (C C):):21明文明文加密加密解密解密明文明文图图1 加密和解密系统加密和解密系统M ME(M)E(M)C CD(C)D(C)M

18、 M加密函数解密函数数据加密算法 数据加密算法经历了以下三个阶段。数据加密算法经历了以下三个阶段。1 1）古典密码：替换）古典密码：替换（置换）（置换）凯撒密码凯撒密码。2 2）对称密钥密码：）对称密钥密码：DESDES等等。 3 3）公开密钥密码：）公开密钥密码：RSARSA等。等。目前在数据通信中使用最普遍的有目前在数据通信中使用最普遍的有DESDES、RSARSA算法算法等。等。 22古典密码恺撒密码恺撒密码 在密码学中，恺撒密码（或称恺撒加密、恺撒变换、变换加密）是一种最简单且在密码学中，恺撒密码（或称恺撒加密、恺撒变换、变换加密）是一种最简单且最广为人知的加密技术。它是一种最广为人知

19、的加密技术。它是一种替换加密替换加密的技术。的技术。凯撒密码作为一种最为古老的凯撒密码作为一种最为古老的对称加密体制对称加密体制，在古罗马的时候都已经很流行，基，在古罗马的时候都已经很流行，基本思想是：通过本思想是：通过把字母移动一定的位数把字母移动一定的位数来实现加密和解密来实现加密和解密，明文中的所有字母都明文中的所有字母都在字母表上向后（或向前）按照一个固定数目进行偏移后被替换成密文在字母表上向后（或向前）按照一个固定数目进行偏移后被替换成密文。例如，当偏移量是例如，当偏移量是3 3的时候，所有的字母的时候，所有的字母A A将被替换成将被替换成D D，B B变成变成E E，以此类推，以此

20、类推X X将将变成变成A A，Y Y变成变成B B，Z Z变成变成C C。由此可见，位数就是凯撒密码加密和解密的密钥。由此可见，位数就是凯撒密码加密和解密的密钥。但是和所有的利用字母表进行替换的加密技术一样，但是和所有的利用字母表进行替换的加密技术一样，恺撒密码非常容易被破解恺撒密码非常容易被破解，而且在实际应用中也无法保证通信安全。而且在实际应用中也无法保证通信安全。23古典密码恺撒密码恺撒密码 A B C D W X Y Z E F G H A B C D (a)A B C D W X Y Z Z Y X W B C B A (b)A B C D W X Y Z C D E F Y Z A

21、 B (c)图图 替换（置换）替换（置换）加密加密【Caesar演示版本演示版本】(a) (c) 步长映射步长映射、移位映射移位映射 (b) 倒映射倒映射 24循环移位密码编码设计A B C D W X Y Z C D E F Y Z A B for(i = 0;i= 0 & Mi = A & Mi = a & Mi = z) Ci = a + (Mi - a + key) % 26); elseCi = Mi; 25循环移位密码编码设计A B C D W X Y Z C D E F Y Z A B for(i = 0;i= 0 & Ci = A & Ci = a & Ci = z) Mi =

22、 a + (Ci - a - key + 26) % 26); elseMi = Ci;26典型例题以下是有关密码学的材料，请按要求作答：以下是有关密码学的材料，请按要求作答： 移位密码基于数论中的模运算，其代换规则是：移位密码基于数论中的模运算，其代换规则是：明文字母被字母表明文字母被字母表中排在该字母后的第中排在该字母后的第k个字母代替个字母代替。1、假设移位密码的密钥、假设移位密码的密钥k = 5，明文为，明文为crazy，求密文。，求密文。2、移位密码其实是不安全的，因为这种密码很容易通过、移位密码其实是不安全的，因为这种密码很容易通过_方方式破译。式破译。3、移位密码是古典密码学的代

23、表算法，其加解密运算都使用同一把、移位密码是古典密码学的代表算法，其加解密运算都使用同一把密钥密钥k。在现代密码学中哪一种密码体制也是如此？请将该密码体制。在现代密码学中哪一种密码体制也是如此？请将该密码体制中的加密、解密过程用数学公式表达出来。中的加密、解密过程用数学公式表达出来。27对称密码对称密码非对称密码非对称密码对称加密与非对称加密通信双方（通信主体）通信双方（通信主体）共同协商共同协商一个钥匙，加解密都由这一个钥匙完成。一个钥匙，加解密都由这一个钥匙完成。通信双方（通信主体）彼此掌握不同的钥匙，通信双方（通信主体）彼此掌握不同的钥匙，不同方向的加解密由不同钥匙完成不同方向的加解密由

24、不同钥匙完成。28对称密码算法29对称密码算法对称对称密码密码算法（算法（symmetric algorithm）又叫）又叫秘密密钥算法秘密密钥算法或或单密单密钥算法钥算法，加加/解密密钥是相同的解密密钥是相同的。它要求发送者和接收者在安全通。它要求发送者和接收者在安全通信信（如：蓝牙）（如：蓝牙）之前，之前，商定一个密钥商定一个密钥k。对称对称密码密码算法的安全性依赖于密钥算法的安全性依赖于密钥，泄漏密钥就意味着任何人都，泄漏密钥就意味着任何人都能对消息进行加能对消息进行加/解密。只要通信需要保密，密钥就必须保密。解密。只要通信需要保密，密钥就必须保密。对称算法的加密和解密表示为：对称算法的

25、加密和解密表示为：加密：加密：E EK K（MM）= C= C解密：解密：D DK K（C C）= M= M凯撒密码凯撒密码30对称密码数据加密标准DES1 1、DESDES算法的历史算法的历史本世纪五十年代以来，密码学研究领域出现了最具代表性的两大成就。本世纪五十年代以来，密码学研究领域出现了最具代表性的两大成就。其中之一就是其中之一就是1971年美国学者年美国学者塔奇曼塔奇曼 （Tuchman）和）和麦耶麦耶（Meyer）根据信息论创始人香农（根据信息论创始人香农（Shannon）提出的）提出的多重加密有效性理论多重加密有效性理论创立的。创立的。美国国家标準局，美国国家标準局，1973年开

26、始研究除国防部外的其它部门的计算机年开始研究除国防部外的其它部门的计算机系统的系统的数据加密标準数据加密标準，於，於1973年年5月月15日和日和1974年年8月月27日先后两日先后两次向公眾发出了徵求加密算法的公告。次向公眾发出了徵求加密算法的公告。 31数据加密标准DESDES密码算法密码算法要求主要為以下四点：要求主要為以下四点：较较高质量的数据保护高质量的数据保护，防止数据洩，防止数据洩露和修改；露和修改；较较高的复杂性高的复杂性，使，使破译的开销超过破译的开销超过可能获得的利益可能获得的利益；DES安全性安全性不依赖於算法的保密不依赖於算法的保密实现经济，运行有效，实现经济，运行有效

27、，适用於多种适用於多种不同的应用不同的应用领域领域：POS、ATM、磁、磁卡及卡及终端终端智能卡（智能卡（IC卡）卡）等领域被等领域被广泛应用。广泛应用。322 2、DESDES算法的特点算法的特点主要主要优点优点是是加解密速度快加解密速度快，加密强度，加密强度较较高，且算法公开。高，且算法公开。但其最大的但其最大的缺点缺点是是密钥的分发困难密钥的分发困难，对于具有，对于具有n n个用户的网络，需要个用户的网络，需要n(nn(n1)/21)/2个密钥个密钥。在大量用户的情况下。在大量用户的情况下密钥管理复杂密钥管理复杂，而且，而且无法完成身份认证等功能无法完成身份认证等功能，不便于应用在网络开

28、放的环境中。不便于应用在网络开放的环境中。密钥的分发困难（管理复杂密钥的分发困难（管理复杂）示意图）示意图：33数据加密标准DES3DES（Triple DES）34对称加密35对称密码对称密码非对称密码非对称密码对称加密与非对称加密通信双方（通信主体）通信双方（通信主体）同时掌握一个钥匙同时掌握一个钥匙，加解密都由这一个钥匙完成，加解密都由这一个钥匙完成。通信双方（通信主体）彼此掌握不同的钥匙，通信双方（通信主体）彼此掌握不同的钥匙，不同方向的加解密由不同钥匙完成不同方向的加解密由不同钥匙完成。36非对称加密37公开密码算法（非对称）优点针对针对DESDES不足提出的不足提出的非对称加密方法

29、非对称加密方法非对称加密（公开密钥加密）非对称加密（公开密钥加密）系统：系统：收发双方使用不同密钥的密码收发双方使用不同密钥的密码。主要主要优点优点是能是能适应网络的开放性要求适应网络的开放性要求，密钥管理简单密钥管理简单，对于具有对于具有n n个个用户的网络，仅需要用户的网络，仅需要2n2n个密钥个密钥；可方便地可方便地实现数字签名和身份认证实现数字签名和身份认证等等功能，是目前电子商务等技术的核心基础。功能，是目前电子商务等技术的核心基础。其其缺点缺点是算法是算法复杂复杂，加密数据的加密数据的速度速度和和效率较低效率较低。 38公开密码算法加密通信过程之所以叫做公开密钥算法，因为之所以叫做

30、公开密钥算法，因为加密密钥能够公开加密密钥能够公开，但，但只有用相应的解密密钥才只有用相应的解密密钥才能解密信息能解密信息。在这系统中，。在这系统中，用于用于加密加密的的密钥叫做密钥叫做公开密钥（公开密钥（public key），解密，解密密钥叫做密钥叫做私人密钥（私人密钥（private key）。一般地，通信前，一般地，通信前，AliceAlice和和BobBob先相互先相互交换交换各自的公钥，若各自的公钥，若AliceAlice要发送信息给要发送信息给BobBob，则则AliceAlice用手上的用手上的BobBob的的公钥加密公钥加密信息后发送，接收方信息后发送，接收方BobBob使用

31、自己保管的使用自己保管的私人密钥私人密钥解密解密收到的信息。收到的信息。39RSARSA密钥生成体制密钥生成体制1 1）选取）选取两个大素数两个大素数p p和和q q，计算，计算n=pn=p* *q q；2 2）计算）计算z=(p-1)z=(p-1)* *(q-1)(q-1)，并，并选择选择一个与一个与z z互质互质的数的数e e；3 3）计算出）计算出e e的逆的逆d d，使其满足，使其满足 e e* *d mod z=1 d mod z=1 ，modmod为模运算；为模运算；4 4）公开密钥为：公开密钥为：K1=(nK1=(n，e)e)，用于，用于加密，可公开加密，可公开。5 5）秘密密钥

32、为：秘密密钥为：K2=(nK2=(n，d)d)，用于，用于解密，须保密解密，须保密。RSARSA加解密过程加解密过程6 6）加密：设）加密：设m m为要传送的明文，利用公开密钥（为要传送的明文，利用公开密钥（n n，e e）加密，）加密，c c为加密后的密文。为加密后的密文。加密公式加密公式为：为： ，（，（0cn0cn）7 7）解密：利用秘密密钥（）解密：利用秘密密钥（n n，d d）解密。）解密。解密公式解密公式为：为： ，（，（0mn0mn）40modecmnmoddmcn计算在使用RSA公钥系统中，如果窃听到发送给用户A（其公钥为e = 7，n = 33）的密文为C = 14，请按上面

33、的公式解密出明文M在使用RSA公钥系统中，如果窃听到发送给用户A（其公钥为e =17，n = 143）的密文为C = 24，请按上面的公式解密出明文M给定素数给定素数p=11，q=13，试生成一对，试生成一对RSA密钥密钥，用用RSA算法计算：算法计算：(1)密钥的模 n和欧拉函数 (n)的值；(2)设选择公钥e=7，计算私钥d的值。(3)计算对于数据M=5进行加密的结果，即密文C的值。RSA提供的保密性42对称和非对称数据加密技术的比较对称和非对称数据加密技术的比较 43 对称数据加密技术对称数据加密技术非对称数据加密技术非对称数据加密技术密钥个数密钥个数1个个2个个算法速度算法速度较快（相

34、比非对称）较快（相比非对称）较慢（相比对称）较慢（相比对称）算 法 对 称算 法 对 称性性对称，解密密钥可从加对称，解密密钥可从加密密钥推算出密密钥推算出不对称，解密密钥不能从不对称，解密密钥不能从加密密钥推算出加密密钥推算出主 要 应 用主 要 应 用领域领域数据数据长消息长消息的加密和解的加密和解密密密钥密钥短消息短消息的加密、数的加密、数字签名等字签名等典 型 算 法典 型 算 法实例实例DESRSA单钥与公钥加密的联合使用RSARSA的缺点的缺点1 1）密钥生成难密钥生成难受到素数产生技术的限制。受到素数产生技术的限制。2 2）速度太慢速度太慢RSARSA的分组长度太长。的分组长度太

35、长。解决解决：单单、公钥密码结合公钥密码结合使用的方法使用的方法，优势，优势互补。互补。单钥密码加密速度快单钥密码加密速度快, ,用它来用它来加密加密较长的文件较长的文件, ,然后用然后用RSARSA给密钥加密给密钥加密, ,解决了单钥密码的解决了单钥密码的密钥分发问题密钥分发问题、RSARSA速度慢速度慢的问题的问题。 44典型例题某公司计划与客户通过某公司计划与客户通过Internet交换电子邮件和数据（以下统一称为交换电子邮件和数据（以下统一称为“消息消息”），为保障安全，在对传输的数据进行加密的同时，还要对参与通信的实体进行身，为保障安全，在对传输的数据进行加密的同时，还要对参与通信的

36、实体进行身份认证。因此，需同时使用对称与非对称密钥体系。回答以下两处问题：份认证。因此，需同时使用对称与非对称密钥体系。回答以下两处问题：方法发送邮件时，方法发送邮件时，使用不同的密码体制加密消息和消息摘要使用不同的密码体制加密消息和消息摘要，请用，请用150 字以内文字以内文字简要说明这样做的理由。字简要说明这样做的理由。请从下面关于请从下面关于摘要函数摘要函数的说法中选出所有正确的描述。的说法中选出所有正确的描述。a 很容易使不同的输入数据生成相同的输出数据。很容易使不同的输入数据生成相同的输出数据。b 根据输入数据获取输出数据的时间非常短。根据输入数据获取输出数据的时间非常短。c 根据输

37、入数据获取输出数据的时间非常长。根据输入数据获取输出数据的时间非常长。d 输出数据的长度比输入数据的长度要长。输出数据的长度比输入数据的长度要长。e 根据输出数据无法还原出输入数据。根据输出数据无法还原出输入数据。45参考答案46信息加解密应用软件演示 信息加密解密技术是建立在复杂的算法基础上的，要涉及信息加密解密技术是建立在复杂的算法基础上的，要涉及许多概念和使用步骤。许多概念和使用步骤。为了让大家对加密解密技术有为了让大家对加密解密技术有更进一步更进一步的认识的认识、应用，我应用，我们通过对用几个常用的加密解密的应用软件的使用，来对们通过对用几个常用的加密解密的应用软件的使用，来对初步学习

38、者起个抛砖引玉的作用。初步学习者起个抛砖引玉的作用。 PGP/MiniPGP47PGP的使用PGP(PrettyGoodPrivacy)PGP(PrettyGoodPrivacy)加密技术的创始人是美国的加密技术的创始人是美国的PhilZimmermannPhilZimmermann。他创造性地把他创造性地把RSARSA公钥体系和传统加密体系结合起来，因此公钥体系和传统加密体系结合起来，因此PGPPGP成为成为目前几乎最流行的公钥加密软件包。由于目前几乎最流行的公钥加密软件包。由于RSARSA算法计算量极大，在速算法计算量极大，在速度上不适合加密大量数据，所以度上不适合加密大量数据，所以PGP

39、PGP实际上用来加密的是采用传统加实际上用来加密的是采用传统加密算法密算法IDEAIDEA，IDEAIDEA加解密的速度比加解密的速度比RSARSA要快得多。要快得多。PGPPGP随机生成一个密钥，用随机生成一个密钥，用IDEAIDEA算法对明文加密，然后用算法对明文加密，然后用RSARSA算法对算法对密钥加密。收件人同样是用密钥加密。收件人同样是用RSARSA解出随机密钥，再用解出随机密钥，再用IDEAIDEA解出原文。解出原文。这样的这样的链式加密链式加密既有既有RSARSA算法的保密性算法的保密性和认证性和认证性(Authentication)(Authentication)，又保又保持

40、了持了IDEAIDEA算法速度快的优势算法速度快的优势。48习题 1 1、伪装前的原始信息称为明文伪装前的原始信息称为明文(Plaintext)(Plaintext)，伪装后信息称为密文，伪装后信息称为密文(cippertext)(cippertext)、伪装、伪装的过程称为加密的过程称为加密(Encryption)(Encryption)，加密要在加密密钥，加密要在加密密钥(K(Ke ey) y)的控制下进行，用于对的控制下进行，用于对信息进行加密的一组数学变换称为加密算法。发信者将明文数据加密成密文，信息进行加密的一组数学变换称为加密算法。发信者将明文数据加密成密文，然后将密文数据送入计算

41、机网络或存入计算机文件。授权的接收者收到密文然后将密文数据送入计算机网络或存入计算机文件。授权的接收者收到密文数据之后、进行与加密相逆的变换，去掉密文的伪装，恢复明文，这个过程数据之后、进行与加密相逆的变换，去掉密文的伪装，恢复明文，这个过程称为解密称为解密( (DecryptionDecryption) )。 问题：问题：加密系统有哪两大类？各自加密系统有哪两大类？各自代表算法是什么？分别代表算法是什么？分别有什么有什么优缺点优缺点？2 2、实际中如何将一大串明文和一把密钥安全地在通信信道中传输？实际中如何将一大串明文和一把密钥安全地在通信信道中传输？ 请给出方案请给出方案或模型并加以说明。

42、或模型并加以说明。3 3、【实验】【实验】编码实现编码实现凯撒凯撒密码系统密码系统或维吉尼亚密码系统或维吉尼亚密码系统并进行应用测试。并进行应用测试。49习题4、以下是有关密码学的材料，请按要求作答：以下是有关密码学的材料，请按要求作答： 移位密码基于数论中的模运算，其代换规则是：明文字母被字母表移位密码基于数论中的模运算，其代换规则是：明文字母被字母表中排在该字母后的第中排在该字母后的第k个字母代替。个字母代替。（1）假设移位密码的密钥假设移位密码的密钥k = 5，明文为，明文为crazy，求密文。，求密文。（2）移位密码其实是不安全的，因为这种密码很容易通过移位密码其实是不安全的，因为这种

43、密码很容易通过_方式破译。方式破译。（3）移位密码是古典密码学的代表算法，其加解密运算都使用同一移位密码是古典密码学的代表算法，其加解密运算都使用同一把密钥把密钥k。在现代密码学中哪一种密码体制也是如此？请将该密码体。在现代密码学中哪一种密码体制也是如此？请将该密码体制中的加密、解密过程用数学公式表达出来。制中的加密、解密过程用数学公式表达出来。50习题5 5、DESDES算法正式公开发表以后，引起了一场激烈的争论。算法正式公开发表以后，引起了一场激烈的争论。19771977年年DiffieDiffie和和HellmanHellman提出了制造一个每秒能测试提出了制造一个每秒能测试106106

44、个密钥的大规模芯片，这种芯片的个密钥的大规模芯片，这种芯片的机器大机器大约一天就可以搜索约一天就可以搜索DESDES算法的整个密钥空间算法的整个密钥空间，制造这样的机器需要两千万美元，制造这样的机器需要两千万美元。19931993年，年，R RSessionSession和和MMWienerWiener给出了一个非常详细的密钥搜索机器的设计给出了一个非常详细的密钥搜索机器的设计方案，它基于并行的密钥搜索芯片，此芯片每秒测试方案，它基于并行的密钥搜索芯片，此芯片每秒测试51075107个密钥，当时这种芯个密钥，当时这种芯片的造价是片的造价是10.510.5美元，美元，57605760个这样的芯片

45、组成的系统需要个这样的芯片组成的系统需要1010万美元，这一系统平万美元，这一系统平均均1.51.5天即可找到密钥，如果利用天即可找到密钥，如果利用1010个这样的系统，费用是个这样的系统，费用是100100万美元，但搜索时万美元，但搜索时间可以降到间可以降到2.52.5小时小时，可见这种机制是不安全的。可见这种机制是不安全的。（1 1）DESDES全称是全称是_，属于，属于_密码系统，文中材料密码系统，文中材料“这种机制这种机制是不安全的是不安全的”说的是（说的是（ ）不安全？）不安全？A A、DESDES算法算法B B、DESDES密钥密钥C C、DESDES密钥空间密钥空间（2 2）R

46、RSessionSession和和MMWienerWiener给出给出的的密钥搜索设计方案密钥搜索设计方案采用采用_方法寻找密方法寻找密钥，由该设计方案制造的系统平均需要测试钥，由该设计方案制造的系统平均需要测试_个个“密钥密钥”才能找到真才能找到真正的密钥。正的密钥。51习题6 6、PGP(PrettyGoodPrivacy)PGP(PrettyGoodPrivacy)加密技术的创始人是美国的加密技术的创始人是美国的PhilZimmermannPhilZimmermann。他创造。他创造性地性地把把RSARSA公钥体系和传统加密体系结合公钥体系和传统加密体系结合起来，因此起来，因此PGPPG

47、P成为目前几乎最流行的成为目前几乎最流行的公钥加密软件包。由于公钥加密软件包。由于RSARSA算法计算量极大，在速度上不适合加密大量数据，所算法计算量极大，在速度上不适合加密大量数据，所以以PGPPGP实际上用来加密的是采用传统加密算法实际上用来加密的是采用传统加密算法IDEAIDEA，IDEAIDEA加解密的速度比加解密的速度比RSARSA要快得多。要快得多。PGPPGP随机生成一个密钥，用随机生成一个密钥，用IDEAIDEA算法对明文加密，然后用算法对明文加密，然后用RSARSA算法算法对密钥加密。收件人同样是用对密钥加密。收件人同样是用RSARSA解出随机密钥，再用解出随机密钥，再用ID

48、EAIDEA解出原文。解出原文。（1 1）文中的）文中的“传统加密体系传统加密体系”指的是古典密码体系还是现代密码体系？依据是指的是古典密码体系还是现代密码体系？依据是什么？什么？（2 2）文中的）文中的“用用IDEAIDEA算法对明文加密，然后用算法对明文加密，然后用RSARSA算法对密钥加密算法对密钥加密”有什么好有什么好处？处？（3 3）PGPPGP软件除了能进行加解密外，能否进行数字签名？依据是什么？软件除了能进行加解密外，能否进行数字签名？依据是什么？527 7、凯撒密码、凯撒密码Zw=osk=kg=hdwskwv=oalz=lzak=kgfy=lzsl=zw=ksfy=al-sdd

49、-lzw-osq-lg=lzw-lgh=gx-lzw-XgjwklKey=?，解密后的明文？8 8、一次一密、一次一密异或运输，随机性的Key，不可再现原文！9 9、VigenereVigenere密码（密码（KeyKey：decipherdecipher）ZS YH XWZCLH ZW MPBD H LLP MPAILEU.对凯撒的改进，每轮Key可能不同！计算机网络加密技术 密码技术是网络安全最有效的技术之一。一个加密码技术是网络安全最有效的技术之一。一个加密网络，不但可以防止非授权用户的搭线窃听和密网络，不但可以防止非授权用户的搭线窃听和入网，而且也是对付恶意软件的有效方法之一。入网，而

50、且也是对付恶意软件的有效方法之一。一般的数据加密可以在通信的一般的数据加密可以在通信的三个层次来三个层次来实现实现：链路加密、节点加密和端到端加密链路加密、节点加密和端到端加密。 54链路加密 要传输到下一个要传输到下一个节点必须解密再加密节点必须解密再加密，直到到达目的节点。，直到到达目的节点。链路加密仅在通信链路上提供安全性链路加密仅在通信链路上提供安全性, ,在节点上在节点上消息以明文形式存在消息以明文形式存在，因此所有节点在物理上必须是安全的，否则就会泄漏明文内容。因此所有节点在物理上必须是安全的，否则就会泄漏明文内容。 链路加密最大的缺点：中间节点暴露了信息的内容链路加密最大的缺点：

51、中间节点暴露了信息的内容，不适用于广播网，不适用于广播网络，在网络互连情况下，仅靠链路加密难以实现通信安全。络，在网络互连情况下，仅靠链路加密难以实现通信安全。55链路加密存在的问题：链路加密存在的问题：1）增加了开销增加了开销。加密小部分数据也需要使得所有传输数。加密小部分数据也需要使得所有传输数据被加密；保证每一个据被加密；保证每一个节点的安全性节点的安全性。2）链路加密使用对称密码体系链路加密使用对称密码体系，由，由于加解密钥相同于加解密钥相同，密，密钥需秘密保存。钥需秘密保存。密钥分配密钥分配在链路加密系统中就成了一在链路加密系统中就成了一个问题。个问题。56节点节点1节点节点2节点节

52、点n解密解密加密加密密文密文密文密文明文明文节点加密 在在操作方式上操作方式上保留保留链路加密链路加密的基本特性的基本特性。但它。但它不允许消息不允许消息在节点中以明文存在在节点中以明文存在，用另外的密钥在节点的安全模块中，用另外的密钥在节点的安全模块中对消息进行加密。对消息进行加密。节点加密要求报头和路由信息以明文形式传输，以便节点节点加密要求报头和路由信息以明文形式传输，以便节点能够处理信息。能够处理信息。解决了传送网络中明文被暴露的风险解决了传送网络中明文被暴露的风险。57明文明文节点节点1节点节点2节点节点n解密解密加密加密密文密文密文密文安全模块用另外的密钥安全模块用另外的密钥对消息

53、进行加密形成密文对消息进行加密形成密文消息消息报头、路由报头、路由密文密文端-端加密数据在数据在从源点到终点的传输过程中始终以密文形式存在从源点到终点的传输过程中始终以密文形式存在，消息在被传输时到消息在被传输时到达终点之前不进行解密达终点之前不进行解密。 用户可以根据自己的特殊需求选择不同的加密算法，不仅适用于互联网环境，用户可以根据自己的特殊需求选择不同的加密算法，不仅适用于互联网环境，也适用于广播网。也适用于广播网。比如：试卷押运等。比如：试卷押运等。58练习两个公司希望通过两个公司希望通过Internet进行安全通信保证从住处源到进行安全通信保证从住处源到目的地之间的数据传输以密文形式

54、出现，而且公司不希望目的地之间的数据传输以密文形式出现，而且公司不希望由于在传输节点使用特殊的安全单元而增加开支，最合适由于在传输节点使用特殊的安全单元而增加开支，最合适的加密方式是（的加密方式是（）A、链路加密、链路加密 B、节点加密、节点加密 C、端端加密、端端加密 D、混合加密、混合加密 59数字签名原理、实现及应用60数字签名1、数字签名的、数字签名的性质性质2、数字签名的、数字签名的实现实现方法方法使用使用公钥密码公钥密码体制体制（RSA）对文件签名对文件签名使用对称加密和仲裁的数字签名机制使用对称加密和仲裁的数字签名机制3、数字签名、数字签名应用应用4、数字签名、数字签名原理原理5

55、、练习、练习61数字签名及其实现FIS电子签名演示62手写签名数字签名的数字签名的效果效果与与手写签名手写签名一样，一样，证明消息发证明消息发布者的身份布者的身份。日常生活中：日常生活中： 取款、信用卡、单位公章等等取款、信用卡、单位公章等等 缺陷？【签名的确认或验证】缺陷？【签名的确认或验证】假签章假签章 注意：避免个人信息泄漏注意：避免个人信息泄漏63数字签名的性质用户能用户能容易容易地在他选择的文件上地在他选择的文件上产生自己的签名产生自己的签名。1、易产生易产生2、不可伪造、不可伪造签名是签名是独一无二独一无二的，其他人无法假冒和伪造。的，其他人无法假冒和伪造。3、不可抵赖、不可抵赖签

56、名是签名是独一无二独一无二的，其他人无法假冒和伪造，所以签名者事的，其他人无法假冒和伪造，所以签名者事后后不能否认不能否认自己签名的文件。自己签名的文件。64数字签名应满足的要求签签名名的的产生应较为容易产生应较为容易易产生易产生签签名名的的识别和验证应较为容易识别和验证应较为容易不可伪造不可伪造签签名名的产生的产生防止伪造和否认防止伪造和否认不可抵赖不可抵赖65数字签名的实现方法使用使用公开密钥体制公开密钥体制（RSA）进行数字签名。进行数字签名。签名的实现过程：签名的实现过程：（1）A用用自己自己的的私人密钥加密私人密钥加密消息，对文件签名消息，对文件签名（2）A将签名的消息将签名的消息发

57、送发送给给B（3）B用用A的的公开密钥解密公开密钥解密消息，从而消息，从而验证验证签名签名作用作用：身份认证身份认证区别：区别：RSA实现加密和签名过程的不同实现加密和签名过程的不同66数字签名的实现方法67公开密钥体制进行数字签名特点 （1）仅涉及通信双方仅涉及通信双方，不需要第三方不需要第三方进行签名和验证进行签名和验证无仲裁无仲裁数字签名数字签名（2）数字签名过程：发送方用）数字签名过程：发送方用自己的自己的私钥私钥对消息进行对消息进行加密加密（3）验证签名的过程：利用发送方的）验证签名的过程：利用发送方的公钥解密公钥解密签名，再同发送签名，再同发送方出示的明文进行方出示的明文进行比较比

58、较、验证、验证68公开密钥体制进行数字签名缺点举例：请假、寄信举例：请假、寄信缺少第三方认证缺少第三方认证这种数字签名的这种数字签名的有效性依赖于发送方私钥的安全性有效性依赖于发送方私钥的安全性。如果。如果发送方的私钥发送方的私钥丢失丢失或者被他人或者被他人窃取窃取，就极有可能成为窃取，就极有可能成为窃取者用来伪造签名的利器。者用来伪造签名的利器。加入加入时间标记时间标记的签名的签名防范防范69加入时间标记的签名防范措施：防范措施：不管发送方的密钥是丢失还是被他人窃取，只要发送方在他发送的消息中不管发送方的密钥是丢失还是被他人窃取，只要发送方在他发送的消息中加加入时间戳（时间标记）入时间戳（时

59、间标记）并及时向有关部分或机构进行上报密钥丢失的实情，并及时向有关部分或机构进行上报密钥丢失的实情，就就可能在一定的时间范围内进行补救可能在一定的时间范围内进行补救。可以想象，这个时候窃取者进行可以想象，这个时候窃取者进行伪造签名伪造签名并发送，由于发送方在此之前已经并发送，由于发送方在此之前已经上报了密钥丢失的实情（上报了密钥丢失的实情（2013-9-15 10：01），而窃者进行发送消息的签名），而窃者进行发送消息的签名时间可能时间可能在此之后在此之后，那么就可以认定此签名是，那么就可以认定此签名是伪造伪造的。的。超市的消费卷、抵扣卷等一般都有超市的消费卷、抵扣卷等一般都有有效期限（有效期限（商业欺骗？商业欺骗？）；打折促销商品）；打折促销商品的保质期问题（的保质期问题（是否部分已经过期？是否部分已经过期？）；）；IC电话卡的电话卡的计费门计费门。70加入时间标记对抗“签名重用“比如：比如：A在一张在一张数字支票数字支票上签名，把它交给上签名，把它交给B；B在银行验证支票并将钱从在银行验证支票并将钱从A的的帐户转到自己的账户上。帐户转到自己的账户上。本来这次交易就完成了，现在假设本来这次交易就完成了，现在假设B是一个不法之徒且贪婪成性，过一段时是一个不法之徒且贪婪成性，过一段时间，他又把间，他又把伪造的